USB接口扩展与差分信号仿真

　　本文所阐述的内容是依托于一个便携式设备巡检系统。系统的硬件是由电源管理模块、信号处理模块、数据采集模块、以TMS320F2812为核心的微处理器模块、液晶显示模块、接口模块构成，软件主要是由巡检管理软件构成。便携式设备巡检系统结构图如图1所示。

　　1 USB总线的特点及分层结构

　　USB是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。USB接口可用于连接多达127种外设，如鼠标、调制解调器和键盘等。USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的，自1996年推出后，已成功替代串口和并口，并成为当今个人电脑和大量智能设备的必配的接口之一。

　　1.1 USB接口的特点

　　以前的外部设备是通过RS232、RS485、并行接口、PCI接口和PS/2接口等老式专用接口来实现与计算机的通信。与老式计算机接口相比，USB接口具有以下优点[1]：

　　1、可以热插拔。这就让用户在使用外接设备时，不需要重复“关机将并口或串口电缆接上再开机”这样的动作，而是直接在电脑工作时，就可以将USB电缆插上使用。

　　2、携带方便。USB设备大多以“小、轻、薄”见长，对用户来说，同样20G的硬盘，USB硬盘比IDE硬盘要轻一半的重量，在想要随身携带大量数据时，当然USB硬盘会是首要之选了。

　　3、标准统一。大家常见的是IDE接口的硬盘，串口的鼠标键盘，并口的打印机扫描仪，可是有了USB之后，这些应用外设统统可以用同样的标准与个人电脑连接，这时就有了USB硬盘、USB鼠标、USB打印机等等。

　　4、可以连接多个设备。USB在个人电脑上往往具有多个接口，可以同时连接几个设备，如果接上一个有四个端口的USB HUB时，就可以再连上；四个USB设备，以此类推，尽可以连下去，将你家的设备都同时连在一台个人电脑上而不会有任何问题（注：最高可连接至127个设备）。

　　1.2 USB系统的分层结构

　　（1）功能层：主要负责数据传输操作，功能层由USB设备的功能单元和对应的USB主机程序组成。特定的USB主机程序段用于与特定的USB设备功能单元的通信。

　　（2）USB设备层：主要用于管理USB设备、分配USB地址、读取设备描述符。在这一层中，可以使USB主机获得该USB设备的能力。这部分功能一方面需要USB主机自动完成，另一方面也需要用户编写相应的固件程序进行支持。

　　（3）USB总线接口层：主要用于实现USB主机和USB设备之间的数据传输。在USB协议中，USB总线接口使用NRZI编码（反向非归零编码）来传输数据，USB主控制器和USB集线器将数据接收或发送，并自动进行解码或编码，这部分一般由USB系统硬件自动完成。

　　1.2 接口布置

　　USB是一种常用的pc接口，他只有4根线，两根电源两根信号，故信号是串行传输的，usb接口也称为串行口，usb2.0的速度可以达到480Mbps。可以满足各种工业和民用需要。USB接口的输出电压和电流是： +5V 500mA 实际上有误差，最大不能超过+/-0.2V 也就是4.8-5.2V 。usb接口的4根线一般是下面这样分配的，需要注意的是千万不要把正负极弄反了，否则会烧掉usb设备或者电脑的南桥芯片：黑线：gnd 红线：vcc 绿线：data+ 白线：data-

　　2 TMS320F2812外部USB接口扩展

　　Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片是世界上第一款继承了USB2.0协议的微处理器，最典型的就是CY7C68013，其强大功能包括USB接口以及与8051兼容的指令系统，但是其功耗比较大，绝对值高达936mW。因此，Cypress公司随后又推出了低功耗版本EZ-USB FX2LP系列芯片，其中用的比较多的是CY7C68013A芯片，本文就选用CY7C68013A作为USB接口的控制芯片。

　　2.1 CY7C68013A结构简介

　　CY7C68013A芯片内部结构主要包括USB2.0收发器、串行引擎（SIE）、 增强型8051内核、 16 KB的RAM、

　　4 KB的FIFO存储器、I/O接口、数据总线、地址总线和通用可编程接口（GPIF）[2]。

　　CY7C68013A的CPU采用增强型8051内核，指令集与标准的8051完全兼容。CY7C68013A的一个指令周期包含4个时钟周期，而对于标准的8051而言，一个指令周期则需要12个时钟周期来完成。除了CPU处理速度上的差异外，还进行了如下改进：

　　（1）具有第二个数据指针；

　　（2）具有第二个USART；

　　（3）具有第三个16 位定时器（T2）；

　　（4）具有非复用的高速16位外部存储器接口；

　　（5）8个额外的中断（INT2-6、WAKEUP、T2和USART1）；

　　（6）FIFO/GPIF数据传输模式；

　　（7）具有3个唤醒源的休眠模式；

　　（8）I2C总线接口；

　　（9）最多5个8位并行I/O端口。

　　2.2 TMS320F2812扩展CY7C68013A控制USB接口

由于TMS320F2812内部没有集成USB控制器，所以要实现TMS320F2812通过USB接口与上位机进行通信，就需